为何在std::optional中调用虚类虚方法会执行基类实现而非派生类重写版本？

问题描述 #

我们定义了非抽象虚类Callable（抽象类无法作为std::optional<T>的类型），以及接收基类std::optional的call_option函数。调用该函数时，执行的总是基类Callable::call()的实现，而非派生类Square重写的call()，但call_as_pointer函数却能正常调用派生类版本。已知使用指针可解决此问题，需要了解该现象的原因。

代码示例 #

#include <optional>
#include <cstdio>

struct Callable
{
    virtual int call(int x) const
    {
        printf("default Callable::call()\n");
        return x;
    }
};

void call_option(const std::optional<Callable>& measurable)
{
    if(measurable.has_value()) {
        measurable.value().call(42);
    }
}

void call_as_pointer(const Callable* measurable)
{
    if(measurable != nullptr) {
        measurable->call(42);
    }
}

struct Square
    : Callable
{
    int call(int x) const override
    {
        printf("overriden Square::call()\n");
        return x * x;
    }
};

int main()
{
    const Square square;
    const std::optional<Square> option(square);

    call_option(option);      // Output: default Callable::call() <-- UNEXPECTED
    call_as_pointer(&square); // Output: overriden Square::call() <-- EXPECTED

    return 0;
}

原因解析 #

1. 对象切片导致多态失效 #

当std::optional<Square>传递给const std::optional<Callable>&参数时，发生了对象切片：

• 隐式转换过程中，std::optional<Square>里的Square对象会被拷贝为一个Callable对象——只保留Square中属于基类Callable的部分，派生类的虚函数表指针、额外成员都会被丢弃。
• 因此call_option中调用的是一个纯粹的Callable对象的call()，自然执行基类的默认实现。

2. 指针为何能正常工作 #

call_as_pointer接收的是Callable*指针：

• 指针指向的是原始的Square对象，对象的虚函数表指针仍然指向Square类的虚表。
• 调用call()时，C++会通过动态分发机制，根据虚表找到派生类的重写版本，这是多态的正常工作逻辑。

3. std::optional的本质原因 #

std::optional<T>的设计是存储T类型的完整实体对象，而非引用或指针。当用派生类对象初始化基类的std::optional时，等价于执行Callable temp = square;这样的拷贝操作，基类的存储空间无法容纳派生类的额外数据，必然触发切片。

解决思路 #

要在std::optional中保留多态行为，不能直接存储基类对象，需改用以下方式：

• 存储智能指针：比如std::optional<std::unique_ptr<Callable>>，通过指针间接持有派生类对象，避免切片。
• 存储引用包装器：比如std::optional<std::reference_wrapper<Callable>>，用包装器封装对象引用，同样能保留多态特性。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Inobelar